TW201619051A - 一種碳材料石墨化的製備方法 - Google Patents

Abstract

一種碳材料石墨化的製備方法，係於一真空電弧熔煉爐中放置一底部具有一水冷卻設備之水冷卻銅模，該水冷卻銅模上係擺放有至少一個置有碳材之石墨坩鍋，其中該石墨坩鍋上方係具有一鎢棒，該鎢棒之下端部係會對準該石墨坩鍋內的碳材；而當該真空電弧熔煉爐於真空環境下灌入氣體後，則開始進行加溫達到3200℃以上時，則會使該碳材進行石墨化，並於冷卻後，則會形成一完全石墨化的石墨化碳材料；由於是使用真空電弧熔煉爐進行加溫，故昇溫速度快，且能夠短時間加溫到3200℃以上，如此將能夠縮短石墨化製程的時間之外，更能夠在每一次製程中達到石墨化的要求。

Description

一種碳材料石墨化的製備方法

本發明是有關一種碳材料石墨化的製備方法，特別是一種能夠以真空電弧熔煉爐進行高溫加熱以達到石墨化的要求，而所製成之石墨化碳材料主要是用於鋰電池的負極材料。

傳統的等方向性石墨製程，一般使用焦碳（coke）作為原料，與煤焦瀝青（coal tar pitch）混合後，注入模內擠壓成型，接著在非氧化的條件下，加熱至約1000℃，形成具有孔洞的無定型碳（amorphous carbon）。之後，再經過浸漬瀝青及再焙燒，如此進行多次，以填補孔洞。隨後，再利用熱處理至2500℃至3000℃，使無定型碳形成高密度的石墨。

近年來儲能材料的迅速發展，因此對於高密度、高強度、高純度且加工性能好之等方向性石墨材料需求亦快速增加。然而，傳統等方向性石墨製程複雜，且所得之製品品質常無法滿足需求。因此，近來開發出利用具有自燒結性（self-sintering）之中間相碳微球（mesocarbon microbeads, MCMBs），其係不需混合、揉捏及粉碎等步驟，亦不需再經過浸漬瀝青及再焙燒等程序來填補孔洞，即可製造高強度、高密度、高純度的石墨碳材，不僅大幅提升了石墨機械性質，亦簡化了等方向性石墨複雜的生產流程。

但製造這一類高強度、高密度、高純度的石墨碳材，必須在石墨化過程中採用高溫爐進行加熱，以不同類型熱交換方式、配置等將熱能由外而內同時加熱外部腔體、保溫設施、保護氣氛及纖維本體。但缺點則是在於傳熱速度慢、保溫困難、升溫速度受到傳熱效果的影響，而需要長時間加熱，以達足夠溫度，其石墨化及石墨化製程時間需1~10小時以上，因此在製作過程中，要保持持續高溫會有困難度之外，所用之坩鍋（crucible）也很難耐如此高溫，因此所製出之成品之特性將會不如預期中好。

而上述高強度、高密度、高純度的石墨碳材的製程方式，更有以下缺點： (1)     這一類石墨化的加熱方式，不僅製程費時且相當耗費能源，需要大量的保溫裝置達成良好的阻熱系統，防止電熱爐之高溫熱散失，造成石墨化爐的設備需求費用提高，而量化不易，且成本提高等問題的發生。 (2)     由於使用的爐型均為間歇式生產，爐體必然存在蓄熱損失，因此熱效率低，且能耗高，因此不僅製程費時且相當耗費能源。 (3)     依據石墨化原理，溫度越高，石墨化程度越高，散狀石墨品質越好，而傳統使用的爐型加熱物料的最高溫度只能達到2300℃左右，很難達到3200℃完全石墨化的要求，由於不易實現高溫區，其產品品質達不到高純石墨的要求。 (4)     由於使用的爐型加熱電極與保溫料的佈置方式較為繁瑣，裝料、出料工序複雜，因此需要人工作業，不易實現自動化。

因此，由於傳統的石墨化製程有上述之缺點，故本發明則是以真空電弧熔煉爐進行加熱、以達到石墨化的目的，由於真空電弧熔煉爐昇溫速度快，且能夠短時間加溫到3200℃以上，如此將能夠縮短石墨化製程的時間之外，更能夠在每一次製程中達到石墨化的要求，如此應為一最佳解決方案。

本發明係關於一種碳材料石墨化的製備方法，係能夠以真空電弧熔煉爐進行高溫熔煉以達到完全石墨化的目的，而所製成之石墨化碳材料主要能夠用於鋰電池的負極材料。

可達成上述一種碳材料石墨化的製備方法，其步驟為： (1)     於一真空電弧熔煉爐中，放置一底部具有一水冷卻設備之水冷卻銅模，該水冷卻銅模上係擺放有至少一個置有碳材之石墨坩鍋，其中該石墨坩鍋上方係具有一鎢棒，該鎢棒之下端部係會對準該石墨坩鍋內的碳材；以及 (2)     將該真空電弧熔煉爐於真空環境下灌入氣體後，則開始進行加溫達到3200℃以上時，則會使該碳材進行石墨化，並於冷卻後，則會形成一完全石墨化的石墨化碳材料。

更具體的說，所述於該真空電弧熔煉爐於真空環境下所灌入之氣體為氬氣或氦氣。

更具體的說，所述鎢棒朝向該石墨坩鍋之端部係呈現尖狀。

更具體的說，所述水冷卻銅模表面上係具有至少一個凹口，該石墨坩鍋係放置於該凹口內。

有關於本發明其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

請參閱第1圖，為本發明一種碳材料石墨化的製備方法之製備流程示意圖，其步驟為： (1)     於一真空電弧熔煉爐中，放置一底部具有一水冷卻設備之水冷卻銅模，該水冷卻銅模上係擺放有至少一個置有碳材之石墨坩鍋，其中該石墨坩鍋上方係具有一鎢棒，該鎢棒之下端部係會對準該石墨坩鍋內的碳材101；以及 (2)     將該真空電弧熔煉爐於真空環境下灌入氣體後，則開始進行加溫達到3200℃以上時，則會使該碳材進行石墨化，並於冷卻後，則會形成一完全石墨化的石墨化碳材料102。

如第2圖所示，於該真空電弧熔煉爐的腔室內，具有一水冷卻銅模4，該水冷卻銅模4底部係具有一水冷卻設備5，由於該水冷卻設備5係具有一入水口51及一出水口52，當冷卻水由該入水口51及出水口52進出時，則能夠將該水冷卻銅模4的熱能帶走，以降低該水冷卻銅模4的溫度；

由於該水冷卻銅模4表面係具有至少一個凹口41，使該石墨坩鍋2能夠放於該凹口41內，而該石墨坩鍋2內會放置碳材3（一般是使用碳粉），而該鎢棒1之下端部11則是削尖，並朝向該石墨坩鍋2內的碳材3，當將上述原料都放置好後，則蓋上該真空電弧熔煉爐之爐蓋。抽氣真空電弧融煉爐的腔體抽真空至＜ 2.4 x 10-2 torr，接著通入純氮氣（或氬氣），最後重複抽真空與通氮氣（或氬氣）的動作三次後，即可開始利用真空電弧熔煉爐進行加熱。

其中熔煉電流為1000安培，電壓為100V，利用真空電弧加溫到3200℃以上時，將會使該碳材3達到完全石墨化，而於到達3200℃以上後，再利用水冷銅模4進行冷卻，以形成一完全石墨化的石墨化碳材料；

而值得一提的是，承載該石墨坩鍋2的水冷卻銅模4由於有水冷卻設備5進行熱交換，能夠避免該石墨坩鍋2及該水冷卻銅模4因太高溫而溶化，且將該碳材3擺放於該石墨坩鍋2更能夠達到集中之目的，以避免因真空電弧濺射的過程中將碳材3打散。

由於本發明是使用真空電弧熔煉爐進行石墨化製程，真空電弧熔煉爐的加熱速度很快，因此能夠較快速加熱到高溫（3200℃以上），故能夠簡短石墨化製程的時間，而加熱到高溫（3200℃以上）能使碳材達到完全石墨化是本發明相關領域所已知曉的知識，故在此則不多加贅述關於本發明以真空電弧熔煉爐加熱到高溫（3200℃以上）所製出石墨化碳材料的相關數據資料。

本發明所提供之一種碳材料石墨化的製備方法，與其他習用技術相互比較時，其優點如下： 1.      本發明係以真空電弧熔煉爐進行熔煉碳材、以達到石墨化的目的，由於真空電弧熔煉爐昇溫速度快，且能夠短時間加溫到3200℃以上，如此將能夠縮短石墨化製程的時間之外，更能夠在每一次製程中達到石墨化的要求。 2.         本發明由於承載該石墨坩鍋的水冷卻銅模能夠以水冷卻設備進行熱交換，如此能夠避免該石墨坩鍋及該水冷卻銅模因太高溫而溶化，且將該碳材擺放於該石墨坩鍋更能夠達到集中之目的，以避免因真空電弧濺射的過程中將碳材打散之情況發生。 3.      本發明更能夠進行大量製程，能夠再水冷卻銅模上擺放多個石墨坩鍋，如此則能夠進行大量石墨化製程。

本發明已透過上述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此一技術領域具有通常知識者，在瞭解本發明前述的技術特徵及實施例，並在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之請求項所界定者為準。

1‧‧‧鎢棒
11‧‧‧下端部
2‧‧‧石墨坩鍋
3‧‧‧碳材
4‧‧‧水冷卻銅模
41‧‧‧凹口
5‧‧‧水冷卻設備
51‧‧‧入水口
52‧‧‧出水口

[第1圖]係本發明一種碳材料石墨化的製備方法之製備流程示意圖。        [第2圖]係本發明一種碳材料石墨化的製備方法之石墨坩鍋及其他配合之裝置示意圖。

Claims (4)

1. 一種碳材料石墨化的製備方法，其步驟為： 於一真空電弧熔煉爐中，放置一底部具有一水冷卻設備之水冷卻銅模，該水冷卻銅模上係擺放有至少一個置有碳材之石墨坩鍋，其中該石墨坩鍋上方係具有一鎢棒，該鎢棒之下端部係會對準該石墨坩鍋內的碳材； 將該真空電弧熔煉爐於真空環境下灌入氣體後，則開始進行加溫達到3200℃以上時，則會使該碳材進行石墨化，並於冷卻後，則會形成一完全石墨化的石墨化碳材料。
2. 如請求項1所述之一種碳材料石墨化的製備方法，其中於該真空電弧熔煉爐於真空環境下所灌入之氣體為氬氣或氦氣。
3. 如請求項1所述之一種碳材料石墨化的製備方法，其中該鎢棒朝向該石墨坩鍋之端部係呈現尖狀。
4. 如請求項1所述之一種碳材料石墨化的製備方法，其中該水冷卻銅模表面上係具有至少一個凹口，該石墨坩鍋係放置於該凹口內。